云闪放电电流反演及其电磁场时空分布规律研究

Aiming at the real problem that the electromagnetic threat of cloud lightning to the airborne vehicles is serious, but its discharge parameters and spatial electromagnetic field are difficult to be directly detected, the inversion method of cloud lightning current and the distribution law of cloud lightning electromagnetic field will be studied. According to the breakdown and development characteristics of cloud lightning, the channel current model and its electromagnetic field model at different stages will be put forward. The measurements of cloud lightning electromagnetic field on ground will also be carried out to verify the theoretical modeling method. On this basis, the influences of fractal channel, ionosphere, lossy ground, topography and other factors on the cloud lightning electromagnetic field will be studied. The simple relationship between different field components and lightning discharge current will then be derived theoretically. A channel current inversion method based on the measurement data of cloud lightning electromagnetic field will be proposed and verified. Based on the statistical characteristics of cloud lightning discharge current, the theoretical calculation of cloud lightning electromagnetic field under typical cloud discharge current will be carried out, and the temporal and spatial distribution law of cloud lightning electromagnetic field at different stages will be presented, which could provide scientific basis and theoretical support for the effect evaluation and protection design against cloud lightning.

针对云闪对空中飞行器电磁威胁严重但其放电参数和空间电磁场又难以直接探测的现实问题，研究云闪放电电流反演方法及其电磁场时空分布规律。根据云闪不同阶段的击穿和发展特点，分别建立云闪早期和晚期电流传播的物理模型及云闪分形通道电磁场的计算模型，同时开展云闪地面电磁场观测实验，验证理论建模方法的正确性与合理性。在此基础上，研究通道分形、电离层、大地参数、地形地貌等因素对云闪电磁场的影响程度和规律，从理论上探索建立云闪电磁场不同场分量与闪电放电电流之间的简便对应关系，研究提出并验证基于地面云闪电磁场监测数据的云闪放电电流参数反演方法。通过地面实测云闪电磁场数据的放电电流反演研究，总结归纳云闪放电电流参数的统计特征，并据此开展典型云闪放电电流参数下的电磁场理论计算，研究揭示云闪电磁场在不同发展阶段的时空分布规律，为云闪电磁场的效应评价与防护设计提供科学依据和理论支撑。

云闪放电发生频率高，对空中飞行器乃至地面敏感电子设备具有严重的电磁威胁，但由于云闪发生空间位置的特殊性，其放电电流参数和空间电磁场分布特征难以直接探测，是云闪电磁环境效应与防护研究亟待解决的重要课题。本项目采用理论与实验相结合的方法，深入开展了云闪放电通道电流建模与波形反演、云闪电磁场建模计算及其时空分布规律研究，取得了重要研究成果：（1）针对云闪通道的弯曲分形特征，提出了云闪放电通道三维数值模拟方法，空间分辨率优于20m；（2）建立了云闪流光-先导发展阶段和反冲流光阶段通道放电电流的理论模型，提出了单脉冲云闪通道电流波形的函数表征方法，给出了电流函数模型中待定参数的确定方法；（3）针对不同的大地条件，建立了云闪电磁场的理论计算模型，提出了基于偶极子法的云闪电磁场三维解析计算方法、基于FDTD法的云闪电磁场三维数值计算方法和基于扩展Cooray-Rubinstein方程的云闪水平电场计算方法，揭示了电流传播参数、通道结构参数、大地电参数等因素对云闪电磁场的影响规律；（4）理论推导建立了地面云闪电磁场与通道电流之间的简便近似关系式，提出了一种基于波形时延叠加的云闪放电电流波形反演方法，通过实测云闪电磁场的电流波形反演实验，获得了云闪放电电流的波形参数特征；（5）基于云闪通道电流特征和建立的电磁场理论计算模型，计算获得了不同空间位置、不同电流波形（对应不同发展阶段）、不同通道条件下的云闪电磁场波形和分布特征，揭示了云闪电磁场的时空分布规律。项目研究成果为云闪通道电流的间接测量和云闪电磁环境的实验模拟提供了重要依据和参考，对云闪电磁环境的效应评估和防护设计研究具有重要的借鉴价值和指导意义。